Résumé graphique. Crédit :Tokyo Tech
Les cellules solaires à pérovskite ont fait l'objet de nombreuses recherches en tant que nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques. Cependant, de nombreux défis restent à surmonter pour l'application pratique. L'une d'elles concerne la couche de transport de trous (semi-conducteur de type p) dans les cellules photovoltaïques qui transporte les trous générés par la lumière jusqu'à l'électrode.
Dans les semi-conducteurs de transport organiques de type p conventionnels, les dopants de trous sont chimiquement réactifs et dégradent le dispositif photovoltaïque. Les semi-conducteurs inorganiques de type p, qui sont chimiquement stables, sont des alternatives prometteuses, mais la fabrication de semi-conducteurs inorganiques classiques de type p nécessite un traitement à haute température. À cet égard, les semi-conducteurs inorganiques de type p qui peuvent être fabriqués à basse température et ont une excellente capacité de transport de trous ont été souhaités.
Le semi-conducteur inorganique à base d'iodure de cuivre (CuI) de type p est un candidat majeur pour de tels matériaux de transport de trous dans les applications de dispositifs photovoltaïques. Dans ce matériau, les défauts natifs donnent lieu à un déséquilibre de charge et à des porteurs de charge libres. Cependant, le nombre total de défauts est généralement trop faible pour que les performances de l'appareil soient satisfaisantes.
L'ajout d'impuretés avec des propriétés d'accepteur (chargées positivement) ou de donneur (chargées négativement), connu sous le nom de "dopage d'impuretés", est la méthode de référence pour renforcer les propriétés de transport des semi-conducteurs et les performances des dispositifs. Dans les procédés conventionnels, des ions avec une valence inférieure à celle des atomes constitutifs ont été utilisés comme telles impuretés. Cependant, dans les semi-conducteurs à base de Cu (I), il n'y a pas d'ion avec une valence inférieure à celle des ions de cuivre monovalents (valence nulle), et donc un dopage de type p dans les composés de cuivre n'a pas été établi.
Pour proposer une nouvelle conception de dopage de porteur pour le dopage de type p dans CuI, des chercheurs du Japon et des États-Unis se sont récemment concentrés sur l'effet d'impureté alcaline, qui a été utilisé de manière empirique pour le dopage des trous dans les semi-conducteurs monovalents en cuivre, l'oxyde de cuivre (Cu2 O) et Cu(In,Ga)Se2 .
Dans une nouvelle approche décrite dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society , l'équipe, dirigée par le Dr Kosuke Matsuzaki de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, a démontré expérimentalement que le dopage de type p avec des impuretés d'ions alcalins, qui a la même valence que le cuivre mais une plus grande taille, peut améliorer la conductivité dans Cu semi-conducteurs à base de (I). Les analyses théoriques montrent que les défauts complexes, composés d'impuretés d'ions alcalins et de lacunes d'ions de cuivre, sont à l'origine de la génération de trous (conductivité de type p).
Alors que les impuretés de métaux alcalins sont connues pour augmenter la concentration de porteurs dans l'oxyde de cuivre, le mécanisme sous-jacent est resté un mystère pour les scientifiques jusqu'à présent. Ce mécanisme a maintenant été élucidé, comme l'explique le Dr Matsuzaki :"En utilisant une combinaison d'études expérimentales et d'analyses théoriques, nous avons réussi à découvrir l'effet des impuretés alcalines dans les semi-conducteurs à base de Cu(I). L'impureté de métal alcalin Na interagit avec ions Cu voisins dans Cu2 O pour former des complexes de défauts. Les complexes, à leur tour, conduisent à être une source de trous."
Lorsqu'une impureté est ajoutée à la structure cristalline, la répulsion électrostatique de Coulomb entre l'impureté et les ions Cu voisins pousse les atomes de Cu de leurs positions dans la structure et conduit à la formation de multiples lacunes de cuivre de type accepteur. Ceci, à son tour, augmente la concentration totale de porteurs de type p et, par conséquent, la conductivité de type p. "Nos simulations montrent qu'il est essentiel que l'impureté soit un peu plus grande pour les espaces vacants dans le réseau cristallin pour invoquer la répulsion électrostatique. Pour les impuretés alcalines plus petites, par exemple le lithium, les ions d'impureté tombent dans les sites interstitiels et ne déforment pas suffisamment le cristal treillis », explique le Dr Matsuzaki.
Sur la base du mécanisme de dopage de type p pour former un complexe de défauts de lacunes de Cu de type accepteur, l'équipe a étudié des ions alcalins plus gros, tels que le potassium, le rubidium et le césium (Cs), en tant qu'impuretés acceptrices dans γ-CuI. Parmi eux, les ions Cs pourraient lier encore plus de lacunes de Cu, conduisant à une concentration encore plus grande de porteurs de charge stables (10 13 —10 19 cm -3 ) à la fois dans des monocristaux et des films minces préparés à partir de la solution.
"Cela suggère que la méthode peut être utilisée pour affiner les concentrations de porteurs dans le cadre d'un traitement à basse température pour des applications et des dispositifs spécifiques. Cela permettrait une toute nouvelle gamme d'applications pour ces matériaux de type p", conclut Matsuzaki.
En effet, le développement pourrait être un bond en avant majeur pour les semi-conducteurs à base de cuivre (I) et pourrait bientôt conduire à leurs applications pratiques dans les cellules solaires et les dispositifs optoélectroniques. La recherche sur l'électronique transparente prend de l'ampleur
